李崢 胡治宏 陳政豪 江緒華

摘? ?要：文章從“生活實例類比”“實驗數(shù)據(jù)驗證”“現(xiàn)象情境創(chuàng)設(shè)”三個維度入手，結(jié)合“向心加速度”教學片斷，對如何利用情境教學促進學生物理學科核心素養(yǎng)發(fā)展進行了討論。

關(guān)鍵詞：情境創(chuàng)設(shè);核心素養(yǎng);向心加速度;序列性問題

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）10-0072-4

1? ? 情境教學的提出

情境教學是指在教學過程中，教師依據(jù)教學目的，有針對性地引入或創(chuàng)設(shè)真實、生動、具體、形象和適宜的場景或氛圍，使學習者直觀感受到知識的原始形式，以引起學生積極的態(tài)度體驗、行為體驗，從而激活學生的思維，擴大學生的知識視野，激發(fā)學生思考的積極性，進而幫助學生理解并掌握知識，提高分析和解決問題的能力。“物理概念的建立需要創(chuàng)設(shè)經(jīng)驗情境”“物理規(guī)律的探究需要創(chuàng)設(shè)問題情境”“應(yīng)用物理知識解決具體問題應(yīng)結(jié)合具體的實際情境”，在教育部制定的《普通高中物理課程標準（2017年版）》中也明確提出“在教學設(shè)計和教學實施過程中也重視情境的創(chuàng)設(shè)”，而“創(chuàng)設(shè)情境進行教學，對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用”[1]。

創(chuàng)設(shè)生活情境、運用多媒體技術(shù)、結(jié)合物理學史以及利用物理實驗是情境教學的常見途徑和方式。本文以“向心加速度”教學片斷為例，闡述如何利用情境創(chuàng)設(shè)開展實際教學，提升學生核心素養(yǎng)。

2? ? 向心加速度相關(guān)的情境教學設(shè)計

2.1? ? 生活實例類比

教材欄目呈現(xiàn)了以下問題：“天宮二號空間實驗室在軌飛行時，可認為它繞地球做勻速圓周運動。盡管線速度大小不變，但方向卻時刻變化，因此，它運動的加速度一定不為0。那么，該如何確定它在軌飛行時加速度的方向和大小呢？”[2]

從課標要求看，本節(jié)內(nèi)容主要是讓學生知道勻速圓周運動向心加速度的大小和方向。教材設(shè)計的問題緊扣這一教學目標，并結(jié)合了我國最新的航天發(fā)展成就，能夠有效地增強學生對祖國科技的自信，有利于培養(yǎng)學生的民族自豪感和愛國情懷。同時，該問題契合學生的最近發(fā)展區(qū)，通過曲線運動的學習，學生已經(jīng)初步了解了曲線運動速度的矢量性，知道加速度是速度改變的原因。通過確定天宮二號在軌飛行加速度方向和大小的驅(qū)動任務(wù)，能夠讓學生明確學習目標，激發(fā)科學思維。

但從實際教學看，學生普遍對天宮二號的復雜運動情況比較陌生，很難建構(gòu)具體的物理模型。筆者結(jié)合生活實際，利用如圖1所示的激光高速特技車進行了類比。

打開開關(guān)，讓激光小車在塑料透明球盒中做圓周運動，根據(jù)核心素養(yǎng)中科學思維的基本要素提出以下序列性問題：（1）特技小車做什么運動（模型建構(gòu)）？（2）特技小車速度是否改變，為什么（邏輯推理）？（3）請分析特技小車的受力情況（分析與綜合）。（4）簡述特技小車加速度的特點（抽象與概括）。（5）請類比、歸納特技小車與天宮二號在軌飛行時具有哪些力與運動方面共同的特征（比較與分類）？

學生觀察并思考、交流與討論，教師引導學生關(guān)注主要因素、忽略次要因素，如小車的運動可以近似看成勻速圓周運動;小車雖然受到了重力、球盒的彈力以及摩擦力，但根據(jù)小車的運動情況，其主要決定因素在于彈力等。通過問題引導，不斷滲透類比思想，將特技小車和天宮二號在軌飛行時力與運動的本質(zhì)特征和共同屬性進行抽象和概括。

在利用相關(guān)數(shù)學推導得到向心加速度的表達式后，再結(jié)合科學探究相應(yīng)的要素提出序列性問題：（1）確定激光高速特技車圓周運動的向心加速度需要測定哪些物理量（問題）？（2）需要利用哪些器材？如何測量并記錄數(shù)據(jù)（證據(jù)）？（3）請結(jié)合相關(guān)的測量結(jié)果進行誤差分析（解釋）。（4）能否利用上述方法測量天宮二號的向心加速度，談?wù)劸唧w的想法（交流）。

通過測定數(shù)據(jù)進行計算，發(fā)現(xiàn)向心加速度的數(shù)值有較大差異，引導學生追本溯源，交流發(fā)現(xiàn)半徑的測定誤差較小，半徑基本為3.50 cm。但是，周期的測定卻集中在0.396 s～0.817 s之間，差異較大。引導學生回歸實驗，從器材和操作進行細致梳理，學生發(fā)現(xiàn)小車有兩個擋，選擇2擋小車的速度明顯變大，測定的周期自然變小。教師進一步追問：選擇同一擋，周期測定的誤差是否就很小呢？學生發(fā)現(xiàn)差異仍然很大，究其根本，主要是因為在測定周期的過程中，小車轉(zhuǎn)速相對較快，測量時間和小車轉(zhuǎn)動的時間不同步。而針對天宮二號向心加速度的測定，學生頭腦風暴后，提出了用激光測距的方式測高度，再加上地球的半徑得到圓周運動的半徑，再結(jié)合衛(wèi)星的周期就可以方便求解。

得出相關(guān)結(jié)論之后，教師還播放了“1分鐘回顧天宮二號一生”和“2020年中國衛(wèi)星發(fā)射”的短視頻，幫助學生了解我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展情況，增強科技自信心。

設(shè)計意圖：（1）通過特技小車的實物運動展示，類比天宮二號進行分析，能夠幫助學生經(jīng)歷“具體—抽象—具體”的知識遷移過程，利用演繹思維建立相關(guān)力與運動的模型。（2）針對核心素養(yǎng)的要素，設(shè)計符合學生認知規(guī)律的序列性問題，能夠有效地培養(yǎng)學生思維從低階向高階的進階。（3）通過向心加速度的真實測量及誤差分析，能夠培養(yǎng)學生基于現(xiàn)實情境，應(yīng)用物理知識解決真實問題的能力，培養(yǎng)學生的實踐意識。（4）利用天宮二號的相關(guān)視頻，讓學生了解我國航空航天事業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，有助于增強學生的民族自豪感，培養(yǎng)學生追求創(chuàng)新的科學態(tài)度。

2.2? ? 實驗數(shù)據(jù)驗證

依據(jù)“證據(jù)課堂”的相關(guān)理論，即通過“提問有依猜想有據(jù)”來突出重視證據(jù)的意識，通過追問依據(jù)喚醒學生的經(jīng)驗，鼓勵學生善于觀察現(xiàn)象并將其作為證據(jù)來進行推測;通過“設(shè)計有方改進有法”來培養(yǎng)尋找證據(jù)的能力，通過追問“你是怎么想到的”“你為什么這么想”來鼓勵創(chuàng)新;通過“評價有思交流有想”來提升解釋證據(jù)的能力，通過追問“你的觀點是什么”“你的證據(jù)是什么”“你是怎么推理的”來實現(xiàn)科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學思維的提升[3]。筆者利用如圖2所示的向心力演示器，并結(jié)合科學探究要素提出以下序列性問題：

（1）若用牛頓第二定律得到的加速度為a，用向心加速度表達式得到的加速度為a'，要比較a與a'，需要測定哪些物理量（問題）？（2）如何利用“圓周運動演示儀”采集相關(guān)數(shù)據(jù)（證據(jù)）？（3）通過實驗數(shù)據(jù)的分析及處理能得到怎樣的結(jié)論（解釋）。（4）總結(jié)交流向心加速度與向心力之間的關(guān)系（交流）。

結(jié)合相關(guān)公式不難得出要比較a與a'，需要測定向心力F、小球質(zhì)量m、角速度ω、圓周運動半徑r。小球的質(zhì)量m可通過天平測量，圓周運動半徑可利用刻度尺進行測量，而向心力F和角速度ω均可通過DIS儀器直接測量。結(jié)合相關(guān)儀器特點，還需要測定擋光桿的寬度以及擋光桿到圓心的距離，通過數(shù)據(jù)擬合，得到某次測量的實驗數(shù)據(jù)如圖3所示。

通過實驗數(shù)據(jù)，可以直觀得到F∝ω2。結(jié)合本實驗的要求，可以通過控制變量法，當半徑一定、角速度一定時，得到相應(yīng)的a與a'的關(guān)系分別如表1、表2所示。

通過數(shù)據(jù)的分析與處理，可以得到a與a'在誤差允許的范圍內(nèi)近似相等，但同時我們也注意到表1中第一組數(shù)據(jù)誤差較大，引導學生分析得到當角速度ω較小時，相應(yīng)的向心力F較小，導致兩種計算結(jié)果下相對誤差較大，從改善實驗效果的角度應(yīng)該適當增大角速度的結(jié)論。

通過引導和比較，學生交流討論對向心力和向心加速度的大小、方向的認識理解，進一步建立力和運動觀念。

設(shè)計意圖：（1）通過理論推導和實驗驗證，從不同的角度對向心加速度的表達式進行驗證，培養(yǎng)學生尋找和解釋證據(jù)，以及從不同角度分析論證問題的能力。（2）利用DIS實驗，將信息技術(shù)應(yīng)用于科學探究過程，提升學生的信息素養(yǎng)。（3）利用源于真實情境的真實數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學生基于證據(jù)進行解釋，對探究結(jié)果進行概括的能力。

2.3? ? 現(xiàn)象情境創(chuàng)設(shè)

教材中設(shè)計了如下例題：如圖4所示，在長為l的細繩下端拴一個質(zhì)量為m的小球，捏住繩子的上端，使小球在水平面內(nèi)做圓周運動，細繩就沿圓錐面旋轉(zhuǎn)，這樣就成了一個圓錐擺。當繩子跟豎直方向的夾角為θ時，小球運動的向心加速度an的大小為多少？通過計算說明：要增大夾角θ應(yīng)該增大小球運動的角速度ω[2]。

利用可調(diào)速電動機、簡易木質(zhì)支架、細線和鉤碼制作如圖5所示的圓錐擺演示裝置。為方便觀察，調(diào)節(jié)懸點到中心軸的距離為1 cm，并利用木質(zhì)支架固定，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，觀察不同轉(zhuǎn)速下鉤碼的運動情況。

從零開始逐漸增大電動機的轉(zhuǎn)速，當其轉(zhuǎn)速小于某一臨界值時，我們發(fā)現(xiàn)鉤碼會處于轉(zhuǎn)軸的下方而不被甩開，不能形成穩(wěn)定的圓錐擺。利用手機慢拍功能拍攝并截圖（圖6），分析該現(xiàn)象情境，可知當轉(zhuǎn)速不夠大時，轉(zhuǎn)軸不完全豎直和電動機固定不穩(wěn)固等原因會產(chǎn)生振動，在細繩上會產(chǎn)生波并經(jīng)鉤碼反射疊加形成了駐波[4]。而在逐漸增加轉(zhuǎn)速直到形成穩(wěn)定圓錐擺的過程中，由于慣性，還會出現(xiàn)如圖7所示的情況，即鉤碼的轉(zhuǎn)動略微滯后于懸點的轉(zhuǎn)動。

進一步引導學生思考，結(jié)合科學思維要素提出以下序列性問題：（1）能否從數(shù)學推導的角度對現(xiàn)象作出解釋（科學推理）？（2）請根據(jù)相關(guān)實驗現(xiàn)象和推導結(jié)果概括圓錐擺模型的特征（模型建構(gòu)）。

設(shè)計意圖：（1）利用真實情境，讓學生理解圓錐擺的形成條件，建構(gòu)圓錐擺模型。（2）通過數(shù)學推導，培養(yǎng)學生的推理能力和利用數(shù)學方法解決物理問題的能力。（3）利用手機慢拍截圖及視頻錄制，發(fā)揮手機在物理實驗中的作用，增強物理學與生活的聯(lián)系。

3? ? 結(jié)? 語

利用熟悉的、可感知的生活實例進行類比，能夠降低知識的認知難度，幫助學生建構(gòu)物理模型，體現(xiàn)物理與生活相聯(lián)系的特征。利用真實的、數(shù)字化的實驗數(shù)據(jù)進行驗證，能夠?qū)ξ锢硪?guī)律進行科學合理的論證，幫助學生理解知識本質(zhì)。創(chuàng)設(shè)實際的、生動直觀的現(xiàn)象情境進行拓展，能夠有效激活學生思維，幫助學生透過現(xiàn)象看到物理規(guī)律的本質(zhì)，體現(xiàn)利用物理解決真實問題的目的。

情境創(chuàng)設(shè)的目的在于促進真實學習。情境創(chuàng)設(shè)的前提是情境必須真實可靠，即便是虛擬的情境也應(yīng)該符合客觀實際，情境創(chuàng)設(shè)的關(guān)鍵是要和教學目標以及學習任務(wù)相融合，即情境的創(chuàng)設(shè)要有設(shè)計感，體現(xiàn)教、學、評一致的特征，而情境創(chuàng)設(shè)的核心是要基于情境提出問題，通過問題的探究和解決促進學生核心素養(yǎng)的提升。

參考文獻：

[1]李樹詳.情境教學要注意的幾個問題[J].物理教學，2020，42（10）：45-49.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]張世成.證據(jù)課堂：證據(jù)物理的十年探索[J].中學物理教學參考，2020，49（28）：5-9.

[4]林輝慶.理論與實驗相結(jié)合——習題教學培養(yǎng)核心素養(yǎng)的重要途徑[J].物理教師，2021，42（01）：89-91+94.

（欄目編輯? ? 李富強）

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